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- 실험에서는 이 1차원 상태의 광자가 광학적 보스-아인슈타인 응축물로 급격한 상전이를 나타내지 않는다는 사실이 밝혀져

물리학자들이 빛으로 1차원 가스 생성
이국적인 광자 상태는 가벼운 가스의 "얼룩진" 상전이를 확인

이국적인 상태(Exotic state):
물리학자들이 광입자를 조작해 1차원 가스(광자가 정상 상태와 다르게 반응하는 상태)를 형성했다. 이 1차원 광(光)가스는 처음으로 이국적인 양자 상태에 대한 이론적 예측을 테스트하는 것을 가능하게 했다. 이 실험에서는 이 1차원 상태의 광자가 광학적 보스-아인슈타인 응축물로 급격한 상전이를 나타내지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 

▲ 물리학자들은 제한된 광자로 만들어진 "빛 가스"를 준 1차원 상태로 만들었다. 빛 입자의 상태는 좁은 포물선에 해당한다. 이것이 좁을수록 가스는 더욱 1차원적으로 행동한다. © IAP/본 대학교

일반적으로 포톤(광자)은 서로 거의 상호 작용하지 않는다. 예를 들어 광선은 편향되지 않고 서로 교차할 수 있다. 원자나 다른 물질 입자와는 달리, 빛 입자는 동시에 같은 장소에 있을 수도 있다. 그러나 광자가 상호작용하는 특별한 조건이 있다. 광자는 2개와 3개의 분자 같은 그룹을 형성하고 에너지를 제거해 광학적 보스-아인슈타인 응집물이 될 수 있다. 여기서 빛 입자는 일종의 '슈퍼 광자'처럼 집단적으로 반응한다.

그리고 빛의 또 다른 이국적인 상태가 있다. 특별한 반사실을 사용해 빛을 보존 가스로 변환할 수 있다. 이 "빛 가스"에서 광자는 원자처럼 행동한다. 즉, 서로를 피하고 밀도 증가에 대한 저항을 제공한다.

빛상자는 광자의 이동 자유를 박탈한다.

이제 본 대학의 Kirankumar Umesh가 이끄는 물리학자들은 이러한 빛 가스에 대한 새로운 극단을 창조했다. 그들은 이미 이국적인 상태를 한 차원으로 축소했다. 이는 예를 들어 좁은 광 가이드와는 달리 "라이트 케이지(light gauge)"의 광자가 측면 또는 세로로 이동할 수 없음을 의미한다. 이러한 1차원 가벼운 가스를 생성하기 위해 물리학자들은 이전에 가벼운 케이지 역할을 했던 특수 염료 용액으로 채워진 작은 반사실을 수정했다.

“우리는 거울 표면 중 하나에 폴리머 구조를 인쇄하여 광자를 가두는 새로운 기술을 사용한다”고 팀은 설명했다. 이러한 구조는 갇힌 빛의 파장보다 작으므로 광자의 이동 자유를 제한한다. 처음으로 물리학자들은 1차원 또는 2차원 가벼운 가스가 냉각을 통해 광학적 보스-아인슈타인 응축물로 변환될 때 어떤 일이 일어나는지 관찰할 수 있었다.

▲ 특수 염료로 채워진 거울 챔버는 광자를 위한 케이지 역할을 한다. 여기 물리학자들이 염료를 채우고 있다. © Volker Lannert/본 대학교

위상 전환이 "번짐“

실험에 따르면 2차원 가벼운 가스를 응축할 때 광학적 보스-아인슈타인 응축수로의 급격한 전환이 나타난다. 물이 액체에서 동결 상태로 상전이하는 것과 유사하게 명확하게 보이는 한계가 있다. “광자 가스에는 소위 열 변동이 있다. 그러나 이는 2차원적으로 너무 작아서 더 혼란을 일으키지 않는다”고 본 대학의 수석 저자인 Frank Vewinger는 설명했다.

1차원 가벼운 가스에서는 이것이 다르다. 실험에서 밝혀진 바와 같이 1차원 시스템의 열 변동이 너무 강해서 질서 있는 전환을 방해한다. 여전히 2차원으로 정확하게 정의되어 있는 위상 전이는 시스템이 1차원이 될수록 점점 더 "번져 나간다". 낮은 온도에서 물이 일종의 얼음물이 되는 것과 비슷하지만 완전히 얼지는 않는다.

이론적 예측이 확인됨

Vewinger는 “우리는 2차원에서 1차원 광자 가스로 전환할 때 이러한 거동을 조사하는 데 처음으로 성공했다”고 설명했다. 광자 응집물로의 급격한 전환이 아닌 부드러운 전환의 증거는 이론적 예측을 확증한다. 이에 따르면 1차원 광자기체는 변동이 크기 때문에 급격한 응결점을 가져서는 안 된다.

물리학자들은 미래에 극도로 제한된 광자의 추가 현상을 조사하기 위해 새로운 "광 케이지"를 사용할 수 있기를 희망한다. 현재 이것은 주로 기초 연구다. 이는 그들이 설명하는 것처럼 양자 광학 효과에 대한 새로운 응용을 가져올 수 있다.
(자연물리학, 2024; doi: 10.1038/s41567-024-02641-7)
출처: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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